智能分注系統中流體波碼信號的傳輸機理

胡改星, 王子建, 畢福偉, 劉延青, 歐陽詩昆

(1.長慶油田公司油氣工藝研究院，西安 710081；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，西安 710081；3.長慶油田公司第十二采油廠，慶陽 745000)

油氣田開發過程中，儲層壓力的下降造成對油氣的驅動能力減弱，為保證儲層中的油氣繼續向生產井中運移，需要對儲層注水以增強地層能量[1-4]。精細分層注水技術針對各個儲層的能量衰減情況進行有區別的能量補充，有利于能量衰竭型儲層及低滲、超低滲儲層的有效開發。該技術的核心為分層注水智能監控系統。該系統的信息雙向傳輸采用流體波碼通信方式，利用流體壓力的變化來進行控制命令下傳與數據的上傳。對于智能分層注水：文獻[5-7]介紹了智能分層注水系統的結構及在超低滲儲層開發中的應用；文獻[8]通過建立注水井分層注水的流動特性模型，計算各注水層的壓力、流量與配水器電控閥開度關系，用于優化注水參數；文獻[9-10]敘述了智能分層注水系統的現場測調方法；文獻[11]敘述了流體波碼通信裝置的工作原理及流體壓力信號的編碼與解碼方法。但上述研究均未涉及流體波碼的產生與傳輸機理。流體波碼通信是智能分層注水系統的核心。研究表明，由于注水管流速較低，流體波碼與用于隨鉆測量(MWD)信息傳輸的鉆井液壓力脈沖技術在信號的產生與傳輸方式上均不相同[12-13]。此外，流體波碼的信號強度及傳輸距離受流體參數、輸水管網參數、注水管或井筒參數、流體裝置結構及流體控制參數的影響，同時各參數之間的相互影響造成系統設計困難。通過數學分析解析波碼信號強度及傳輸距離與相關影響參數之間的關系，揭示流體壓力信號的產生與波碼傳輸機理，有助于波碼通信系統的設計與性能改善。筆者基于穩定流的流體能量方程建立流體壓力信號的產生與傳輸過程的數學模型，研究了相關參數對壓力信號傳輸的影響。

1 智能分層注水系統的信號傳輸

1.1 系統組成與管路模型

智能分層注水系統包括地面注水流量的控制、井下配水器電控閥開度的監控、井下各個注水層的注入流量監控、地面與井下信息的無線雙向傳輸等，圖1所示為其結構示意圖。

圖1 智能分層注水系統結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the intelligent separated layer water flooding system struction

管網經輸水管通過地面電控閥連接到注水管(井筒)，注水管下部連接有多個配水器，配水器電控閥通過改變開度來調控流量并經水嘴注入地層，各配水器水嘴之間通過封隔器隔離。為實現地面控制命令的下傳，地面電控閥按控制編碼要求通過短時間改變閥的開度使注水管流量呈脈沖狀變化，引起井口壓力及井下配水器電控閥入口處壓力的改變，向配水器控制電路發出指令，指示改變水嘴流量或準備上傳井下數據。為實現井下數據的上傳，配水器控制電路根據編碼數據形成的電壓脈沖控制電控閥開度來改變水嘴流量，使注水管流量發生變化，引起配水器電控閥的入口處壓力及井口壓力的改變，將各配水器電控閥的開度、壓力、水嘴流量等信息傳輸至地面。利用電控閥開度調制流量來改變井口與井下壓力，實現地面控制命令與井下數據的雙向無線傳輸，稱之為流體波碼通信。

圖2所示為分層注水系統的管路模型，其中，Q為注水管流量；p1為管網壓力；z1為輸水管高程；v1為輸水管流速；pl1為輸水管沿程壓力損失；pw1為輸水管的局部壓力損失；p2為地面電控閥出口處壓力；z2為地面電控閥高程；v2為電控閥出口處管道流速；Δpu為地面電控閥產生的局部壓力損失；p2為注水管井口處壓力；z3為井底高程；v3為注水管流速；pl2為注水管沿程壓力損失；p3為配水器電控閥入口處壓力；v4為配水器偏通管流速；QΔi為水嘴流量；p4為地層壓力；z4為配水器水嘴出口處高程；pmi為水嘴壓力損失；v5為水嘴流速；Δpvi為配水器電控閥產生的局部壓力損失，i=1～n，n為配水器水嘴數。

圖2 分層注水系統管路模型Fig.2 Pipeline model for separated layer water flooding system

1.2 井下多配水器管路流體的流動分析

1.2.1 各配水器管路的流量分配

(1)

1.2.2 配水器開度引起的注水管流量變化分析

(2)

Q=Δp/r

(3)

由于配水器上部管路的流阻較大，在一定程度上限制住了整體管路的流阻變化，總管路流量有一些變化。數值計算表明，配水器數量越多，某一配水器電控閥開度的改變對總管路流量的影響越小。

2 數學模型

2.1 壓力信號下傳的傳輸機理及特性分析

2.1.1 地面電控閥產生的壓力信號

管網通過一定長度的輸水管接至注水井，設輸水管與注水管中流體處于紊流狀態，通過對管路a—a剖面的流體參數分析，建立管網至地面閥出口處的流體能量(伯努利)方程：

(4)

(5)

地面閥開度影響注水管流量，當電控閥從某一開度增加到另一開度時，注水管流量由Q1增加到Q2，地面閥出口處的壓力變化(信號幅度)為

(6)

2.1.2 地面閥開度改變在井下引起的壓力變化

設各配水器流體處于紊流狀態，通過對注水管路d—d剖面的流體參數分析，建立地面至井下配水器1電控閥入口處的伯努利方程：

(7)

設井垂深h=z2-z3，由于配水器數為n，如果各配水器電控閥開度相同，有QΔ1=Q/n，因此:

(8)

(9)

式(9)說明，地面閥開度改變引起的注水管流量變化誘導產生井下壓力信號，可以看作是信號的傳遞，信號下傳的傳遞函數為

(10)

2.2 壓力信號上傳的傳輸機理及特性分析

2.2.1 井下配水器電控閥產生的壓力信號

設各配水器管路的流體處于紊流狀態，通過對管路c—c剖面的流體參數分析，建立某一配水器電控閥入口至地層處的伯努利方程:

(11)

式(11)中:v5=QΔi/Am為水嘴流速。由于z3?z4，因此:

(12)

設地層壓力不變，地面電控閥全開，改變配水器1的電控閥開度，其余各配水器電控閥開度均相同；當配水器1開度減小時，電控閥阻力系數由ζv11→ζv12，該配水器的水嘴流量由QΔ11→QΔ12，此井下配水器電控閥入口處產生的壓力變化(信號幅度)為

（三）數學家華羅庚曾說過：“數缺形時少直覺，形少數時難人微，數型結合百般好，隔離分家萬事非。”用多媒體輔助教學有助于數學知識的內化和深化，把一些呆板的無法言表的內容有抽象變為直觀，圖文并茂，聲像具備，形象生動，有利于提要課堂教學效率，促進教育教學質量大幅度提高。本案中，對于探究為任意角，公式都成立，其內容較為抽象，學生不易理解。這時我應用幾何畫板展示公式動態相等過程，使內容直觀化、具體化，吸引學生的注意力，啟迪學生思維，更有利于培養學生正確有序的觀察方法和空間想象能力。

(13)

2.2.2 配水器開度改變在井口引起的壓力變化

設地面電控閥全開，僅改變配水器1電控閥開度，其余各配水器均與配水器1的初始開度相同；通過對管路b—b剖面的流體參數分析，建立注水井井口至地層處的伯努利方程:

(14)

由于h=z2-z4，則地面閥出口(注水井井口)處壓力為

(15)

設配水器1開度改變時地層壓力不變。當配水器1開度減小時，其電控閥的阻力系數由ζv11→ζv12，該配水器的水嘴流量由QΔ11→QΔ12，注水管流量由Q1→Q2，則配水器1開度減小時在井口引起的壓力變化(信號幅度)為

(16)

由于

因此，

(17)

式(17)說明，井下某一配水器開度改變引起的流量變化誘導產生井口壓力信號。信號上傳的傳遞函數為

(18)

3 數值計算與分析

計算條件：輸水管長度l1=500 m；內徑d1=30 mm；流量Q=75 m3/d；水黏度μ=1 mPa·s；密度ρ=1 000 kg/m3；井口電控閥出口處管內徑d2=60 mm；輸水管局部阻力系數ξ1=0.75；地面電控閥內腔直徑du=30 mm，Au=706 mm2，閥孔最大流通截面積A0=140 mm2；流體收縮系數σ=0.63；注水管內徑d3=62 mm；長度l2=3 000 m；偏通管直徑dw=24 mm；水嘴管直徑dm=8 mm；配水器電控閥內腔直徑dd=24 mm，Ad=452 mm2，閥孔最大流通截面積Ak=50.25 mm2；配水器數n=3。

3.1 流量對地面閥及配水器的壓力信號影響

注清水時，輸水管與注水管流體的雷諾數Re>2 300，管中流體處于紊流狀態。

信號幅度與流量呈平方關系，因此流量對信號的影響較大。取流體密度ρ=1 000 kg/m3，井下各配水器開度均為50%，地面閥開度從1%增加至100%。改變注水管最大流量情況下根據式(6)計算，地面閥產生的壓力信號幅度與注水管流量關系如圖3所示。

設地面閥全開，取流體密度ρ=1 000 kg/m3，井下配水器1的開度從50%減小至25%，其余各配水器開度均為50%。改變注水管最大流量情況下根據式(13)計算，配水器1產生的壓力信號幅度與注水管流量關系如圖4所示。

圖3 注水管流量對地面閥產生的壓力信號影響Fig.3 Influence of water injection pipe flow on pressure signal generated by the ground valve

圖4 注水管流量對配水器產生的壓力信號影響Fig.4 Influence of water injection pipe flow on pressure signal generated by the downhole flow control device

從圖3和圖4可以看出，注水管最大流量嚴重影響壓力信號幅度，由于配水器水嘴流量遠小于注水管流量，且配水器的開度變化范圍遠小于地面閥，因此其產生的壓力信號幅度遠小于地面閥產生的信號。

3.2 壓力信號在注水管中的傳輸特性

3.2.1 信號下傳

圖5 注水管長度對壓力信號下傳的影響Fig.5 Influence of water injection pipe length on pressure signal downlink transmission

流體密度ρ=1 000 kg/m3，注水管最大流量Qmax=75 m3/d，井下各配水器電控閥開度均為50%，地面控制閥開度從1%增加至100%。根據式(9)與式(10)計算，下傳至井下的壓力信號幅度與注水管長度關系如圖5所示，信號下傳時的傳遞函數值與注水管長度關系如圖6所示。

圖6 注水管長度對信號下傳傳遞函數的影響Fig.6 Influence of water injection pipe length on transfer function of the signal downlink transmission

從圖5和圖6可以看出：①下傳至井下的信號幅度基本與注水管長度無關，說明注水管長度對地面壓力信號的下傳基本無影響；②由于注水管長度影響地面閥小開度時的流量，導致地面閥產生的壓力信號幅度隨注水管長度的增加而增大，因此信號下傳的傳遞函數值隨注水管長度的增加而逐漸減小。

3.2.2 信號上傳

地面控制閥全開，流體密度ρ=1 000 kg/m3，注水管最大流量Qmax=75 m3/d，井下配水器1的開度從50%減小至25%，其余各配水器開度均為50%。根據式(17)與式(18)計算，上傳至井口的壓力信號幅度與注水管長度關系如圖7所示，信號上傳時的傳遞函數值與注水管長度關系如圖8所示。

從圖7和圖8可以看出，上傳至井口的壓力信號幅度隨注水管長度的增加線性減小，說明注水管長度對井下壓力信號的上傳有一定影響，信號上傳的傳遞函數值隨注水管長度的增加而逐漸減小。

圖7 注水管長度對壓力信號上傳的影響Fig.7 Influence of water injection pipe length on the pressure signal uploading

圖8 注水管長度對信號上傳傳遞函數的影響Fig.8 Influence of water injection pipe length on transfer function of the signal uploading

4 室內實驗

室內實驗在流體波碼傳輸實驗裝置上進行，實驗裝置由平流泵、100 m循環管路、電傳壓力計、模擬地面電控閥、模擬井下配水器電控閥、電控旁路閥、儲水箱、計算機數據采集與閥控系統所組成，如圖9所示。循環管路為內徑15 mm高壓盤管，平流泵最大排量為60 L/h，產生的管流速與現場2.5 in(63.5 mm)管內徑的注水管在流量25 m3/d下的流速相同。該裝置可以模擬地面閥及井下配水器產生的壓力脈沖信號，并可測量地面閥開度改變時引起的井下壓力變化及井下配水器開度改變時引起的地面壓力變化。

圖9 流體波碼傳輸實驗裝置Fig.9 Experimental device for fluid wave code transmission

圖10所示為模擬地面閥的控制命令在井下產生的壓力響應圖形，其中地面閥開度根據控制命令脈沖進行1%到100%的調節，命令編碼為10100110。可以看出，管流量隨地面命令脈沖同步變化，井下壓力信號與地面命令脈沖序列一致，說明地面閥開度改變使流量發生變化形成流體波碼，將控制命令傳遞至井下，與理論分析相符。圖11所示為模擬井下配水器根據數據編碼產生的壓力脈沖信號傳輸至地面的壓力響應圖形，其中配水器電控閥開度根據數據脈沖進行60%到28%的調節，數據編碼為10011001。可以看出，地面壓力信號隨井下壓力信號同步變化，地面壓力信號整形后與井下數據脈沖序列一致，說明井下數據通過改變井下配水器電控閥開度導致注水管流量變化形成的流體波碼可以將數據傳輸至地面，符合理論分析結果。

圖10 地面閥的控制命令在井下產生的壓力響應Fig.10 Pressure response of the ground valve control command generated downhole

圖11 井下配水器產生的壓力信號傳輸至地面的壓力響應Fig.11 Ground pressure response of pressure signal generated by the downhole flow control device

5 結論

(1)地面閥開度改變引起的注水管流量變化產生井口壓力信號；配水器開度改變引起的水嘴流量變化產生井下壓力信號。

(2)注水管的最大流量嚴重影響地面閥和配水器產生的壓力信號幅度，且地面閥產生的信號幅度遠大于配水器產生的信號。

(3)某一配水器開度的改變不但造成水嘴流量的變化，還會引起其余配水器管路流量的重新分配；同時對注水管流量會產生一定的影響。

(4)壓力信號的下傳為地面閥開度改變引起的注水管流量變化誘導產生井下壓力信號，可以看作是信號的傳遞；同時壓力信號的上傳可以認為是井下配水器開度改變引起的注水管流量變化誘導產生井口壓力信號；由于信號的傳遞是注水管流量變化的誘導，因此信號頻率不會影響信號在注水管中的傳輸。

(5)注水管長度對地面壓力信號的下傳基本無影響，但對井下壓力信號的上傳有一定影響。